Peccato per il glicano:queste complesse molecole di zucchero sono attaccate all'80% delle proteine ​​del corpo umano, rendendoli un ingrediente essenziale della vita. Ma questo processo, nota come glicosilazione, è stato in qualche modo oscurato da processi biomolecolari più vistosi come la trascrizione e la traduzione.

"La glicosilazione è assolutamente essenziale per la vita su questo pianeta. Eppure, ne sappiamo ancora relativamente poco, " ha detto Matteo De Lisa, il William L. Lewis Professor of Engineering presso la Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering. "Mentre molta attenzione è stata data alla comprensione del genoma e del proteoma, il glicoma, che rappresenta l'intero complemento degli zuccheri, liberi o presenti in molecole più complesse come le glicoproteine, di un organismo - è stato relativamente poco studiato. Abbiamo bisogno di nuovi strumenti per far avanzare il campo".

Il laboratorio di DeLisa ha creato questi stessi strumenti requisindo semplici, microrganismi unicellulari, vale a dire E. coli batteri e ingegnerizzandoli per esplorare il complesso processo di glicosilazione e il ruolo funzionale che i glicani legati alle proteine ​​svolgono nella salute e nella malattia.

La carta del gruppo, "Ingegneria della biosintesi della glicoproteina umana ortogonale legata all'O nei batteri, " pubblicato il 27 luglio in Natura chimica biologia . L'autore principale è Aravind Natarajan, dottorato di ricerca '19.

In precedenza, Il team di DeLisa ha utilizzato un approccio di glicoingegneria cellulare simile per produrre uno dei tipi più comuni di glicoproteine, quelle con strutture glicaniche legate all'aminoacido asparagina, o N-linked. Ora i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione a un'altra glicoproteina abbondante, vale a dire O-linked, in cui i glicani sono attaccati all'atomo di ossigeno degli amminoacidi serina o treonina di una proteina.

I glicani O-linked sono strutturalmente più diversi rispetto ai loro cugini N-linked, e hanno importanti implicazioni nello sviluppo di nuovi trattamenti terapeutici per malattie come il cancro al seno.

"I nostri sforzi di ingegneria cellulare sono stati piuttosto complicati in quanto non avevamo solo bisogno di attrezzare E. coli con il set completo di enzimi per produrre e attaccare le strutture glicaniche alle proteine, ma abbiamo anche dovuto ricablare attentamente le reti metaboliche native per garantire la disponibilità di importanti elementi costitutivi di glicani come l'acido sialico, " Natarajan ha detto. "L'aggiunta di acido sialico alle nostre glicoproteine ​​​​è significativa perché questo residuo di zucchero è spesso cruciale per indirizzare i farmaci a cellule specifiche e aumentare la loro emivita circolatoria".

Quando una cellula diventa cancerosa, esprime alcuni biomarcatori, comprese proteine ​​di superficie anormalmente glicosilate, che indicano la presenza di cancro. Il gruppo di DeLisa attrezzato E. coli con i macchinari per produrre tali proteine, compreso uno che somigliava molto a un importante biomarcatore del cancro, mucina 1 (MUC1).

"La versione glicosilata di MUC1 è uno degli antigeni bersaglio con la massima priorità per la terapia del cancro. È stato molto difficile sviluppare terapie contro questo bersaglio, " ha detto De Lisa, l'autore senior del documento. "Ma avendo uno strumento biosintetico come quello che abbiamo creato in grado di replicare la struttura MUC1, speriamo che questo possa fornire reagenti glicoproteici che potrebbero essere sfruttati per scoprire anticorpi o impiegati direttamente come immunoterapie, tutto ciò potrebbe aiutare nella lotta contro alcuni tipi di cancro".

Sia glicani legati all'O che quelli legati all'N sono stati scoperti anche in una delle proteine ​​di superficie del virus SARS-CoV-2, che causa il COVID-19. DeLisa spera che il metodo del suo gruppo di glicoingegneria delle cellule batteriche apra la porta alla creazione di versioni glicosilate di questa proteina S che potrebbero portare ad anticorpi terapeutici contro il coronavirus, o lo sviluppo di un vaccino a subunità.

A causa del loro lavoro precedente sulla replicazione dei glicani legati all'N, i ricercatori sono stati in grado di far funzionare rapidamente il sistema O-linked. Ora il laboratorio di DeLisa è pronto a produrre proteine ​​che trasportano entrambi i tipi di glicosilazione, che è significativo perché molte glicoproteine, come la proteina S in SARS-CoV-2, portano strutture glicaniche legate sia a N che a O.

I ricercatori stanno anche esplorando modi per aumentare lo spettro di glicoproteine ​​che hanno ingegnerizzato E. coli le cellule possono produrre e l'efficienza con cui questi prodotti vengono generati.

"Pensiamo a E. coli come un telaio pulito o una tabula rasa quando si tratta di glicosilazione proteica, perché questi batteri normalmente non eseguono reazioni di glicosilazione come quelle che abbiamo installato, " Ha detto DeLisa. "Questo permette la costruzione di questi percorsi dal basso verso l'alto, dandoci il controllo totale sui tipi di strutture glicaniche che vengono realizzate, e i siti specifici nelle proteine ​​bersaglio in cui sono attaccati. Questo è un livello di controllo difficile da raggiungere con altri sistemi o tecnologie preesistenti basati su cellule per l'ingegneria della glicoproteina".